книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

падом молекулы. Для радикального преобразования свойств атома изменяющих его природу и для последующего восстановления его свойств необходимо изменение заряда ядра и связанное с этим из- менение нормальногочисла электронов в атоме.Изменитьзаряд ядра возможно, но из-за малости и прочности ядер этот процесс требует исключительно мощных средств.

Световые волны проявляют свойства потока частиц — квантов, фотонов (при передаче энергии электронам в фотоэффекте такие электроны получили название фотоэлектронов), которые в свою очередь проявляют волновые свойства (при дифракции). В опытах с квантами очень высоких энергий было обнаружено комптоновское (по имени А. Комптона,отрывшего этот эффект) рассеяние излучения не только при взаимодействиях с электронами, но и с другими части- цами (с протонами и нейтронами). Электроны, получившие от таких фотонов импульс, могут иметь скорости, сравнимые со скоростью света, что приводит к росту их релятивистской массы, которую следу- ет учитывать. Фотон ведёт себя как элементарная частица не только в явлениях фотоэффекта и при излучении, но и в процессах взаимо- действия с электронами и другими частицами.

Волновые свойства света (интерференция, дифракция) определя- ются длиной волны света: λ = h/mc, где h — постоянная Планка. Дуа- лизм света связан с его массой (отличительной особенностью фотона являетсяотсутствиеунегомассыпокоя:фотонвсегдадвижетсясоско- ростью света и не может существовать, как покоящаяся частица), что даёт основание перенести это положение и на вещественные части- цы, заменяя скорость света скоростью частицы. Если скорость части- цы с массой покоя m мала по сравнению со скоростью света,то длина волны (волны де Бройля) для частицы (или волновые свойства движу- щейся частицы) определяются как λ= h/mv, где v — скорость частицы, m — масса частицы. Длина волны частицы обратно пропорциональна произведениюмассыmчастицынаеёскоростьv,приэтомкоэффици- ент пропорциональности равен постоянной Планка h.

Волновыми свойствами обладают электроны (применены в элек- тронном микроскопе),протоны,нейтроны,атакже атомы и молекулы (они способны к интерференции и дифракции). Постоянная Планка чрезвычайно мала h = 6, 6 . 10–34 Дж . сек, поэтому для частиц заметной массы,летящейснебольшойскоростью,длинаволныдеБройлятакже исчезающе мала по сравнению с размерами атомных ядер. Электро- нам или атомам при не слишком их большой скорости соответствует длины волн, входящие в диапазон рентгеновского излучения. Волно- вые свойства частиц имеют значение, когда длина волны де Бройля не мала по сравнению с размерами объектов, с которыми происходит взаимодействие.

290

Впроцессах взаимодействия с атомами движущихся электронов

идругих мельчайших частиц,для которых длина волны де Бройля уже порядка атомных размеров, волновые свойства частиц играют суще- ственную, определяющую роль. Это относится к процессам, связан- ным с поведением электронов внутри атомов или молекул.

При взаимодействии частиц макроскопических размеров, для ко- торых длина волны де Бройля в миллиарды раз меньше их размеров, учёт волновых свойств совершенно бесполезен и не нужен.

Совокупность законов движения частиц вещества, учитывающая их волновые свойства, получила название волновой или квантовой

механики. Волновые представления о поведении электрона в атоме могут быть получены с помощью законов квантовой механики.

Движение электронов в ограниченном пространстве сводится, как и в других волновых явлениях, к образованию «стоячих волн». На размер атома между пучностями или узлами стоячей волны укла- дываются целое число полуволн λ/2 де Бройля, называемое условием квантования орбиты (n = 1, 2, 3 …), то есть для любой произвольной точки на орбите соответствует определенная фаза колебания волны. Волна после полного оборота по орбите приходит в эту исходную точ- ку с той же фазой, поэтому выполнение условия квантования делает волновую картину определенной и однозначной. При уменьшении размера атома его энергия уменьшается, проходит через минимум, а затем возрастает. Устойчивым является основное состояние атома соответствующее самому нижнему энергетическому уровню (по усло- вию квантования) n = 1, остальные состояния (n > 1) являются неу- стойчивыми и со временем самопроизвольно возвращаются на энер- гетически низкие состояния с излучением избытка энергии в виде светового кванта.

Атом будет находиться в устойчивом состоянии, когда его размер соответствуетминимуму энергии,при которомлюбое изменение раз- мера атома потребует затрат энергии (то есть самопроизвольно это происходить не может). С помощью волновых представлений могут быть получены формулы для энергетических уровней атомов (кото- рые соответствуют условию квантования). Причиной устойчивости атома (причиной невозможности падения электрона на ядро) явля- ется быстрое возрастание кинетической энергии электрона, которая связана с уменьшением его длины волны де Бройля при сокращении размеров атома.

Все выводы механики Ньютона заключены и входят в состав кван- товой механики. Они могут быть получены из неё как приближённые решения, когда волновые свойства частиц не играют существенной роли (когда длина волны де Бройля ничтожно мала по сравнению с размерами этих частиц и ею можно без потерь пренебречь).

291

В атомном микромире есть явления, где существенны и волновые свойства и скорости частиц, которые велики и влияют на рост реля- тивисткой массы (равной сумме массы покоя m0 и добавочной массы W/c 2).Здесь следует учитывать как квантовую механику,так и реляти- вистскую механику и пользоваться так называемой релятивистской квантовой механикой.

Уран, торий и некоторые другие элементы обладают свойством непрерывно и без каких-либо внешних воздействий, под влиянием внутренних­ причин, испускать невидимое излучение, которое подоб- но рентгеновскому излучению, получило название радиоактивность. Элементы, обладающие этим свойством, названы радиоактивными элементами, а испускаемое ими излучение — радиоактивным излуче- нием(обнаруженыА. А. Беккерелем,1896г).Дляустановлениярадиоак- тивных свойств в качестве признака радиоактивности использовалась способность радиоактивных веществ ионизовать воздух (опыты Пьера и Марии Кюри).Этот признак гораздо более чувствителен,чем способ- ность радиоактивных веществ действовать на фотопластинку. Иони­ зующее действие радиоактивного препарата легко обнаруживается

спомощью устройства ионизационной камеры (рисунок ниже).

Вионизационную камеру 1, снабжённую электродом 2 пропущенным через изо- лятор 3, помещается радио- активный препарат 4.

При достаточно высо- ком напряжении батареи (близком к электрическому пробою воздуха) ионы, об- разуемые в камере 1 от ио-

низирующегоизлученияпрепарата4,двинутсякэлектроду2икамере 1.Врезультатечерезвоздухкамеры1потечётток,пропорциональный ионизирующему действию препарата 4.Наличие тока регистрируется электрометром 5, включённым параллельно большому сопротивле- нию R = 10 8 ÷ 10 12 ом. При отсутствии ионизирующего воздействия воздух камеры 1 становится диэлектриком, не проводящим ток, что фиксирует электрометр 5.

Радиоактивность обнаружена у урана и тория, и у всех химических соединений с ними.

Радиоактивность препарата с любым химическим составом равна радиоактивности только самого урана или тория, взятого в количе- стве, в котором он содержатся в этом препарате.

Свойства молекулы, в состав которой входит радиоактивный эле- мент,не влияют на радиоактивность (радиоактивность не молекуляр-

292

ное явление, а внутреннее свойство атомов радиоактивного элемен- та). Поэтому радиоактивность обусловлена присутствием в них урана или тория.

Элемент, радиоактивность которого более чем в миллион раз пре- восходит радиоактивность урана, получил название радий (лучистый).

ПохимическимсвойствамрадийRa(88элементтаблицыД. И. Мен- делеева) относится к щелочно-земельным металлам и обладаетатом- ной массой равной 226.

Радий является постоянным спутником урана в его рудах.Это один изсамыхредкихидорогихметаллов,которыйсодержитсявураневсо- отношении примерно 1 г радия на 3 тонны урана,поэтому добыча его представляет оченьтрудоёмкий процесс.

Радий ценится как концентрированный источник радиоактивных излучений.

Все элементы с порядковым номером, превышающим 83, являют- ся радиоактивными (и найдены в виде небольших примесей к урану, радию и торию).

Радиоактивны редкие изотопы элементов таллия (Z = 81), свинца (Z = 82) и висмута (Z= 83),примешанные к урану,радию иторию.Сами по себе таллий, свинец и висмут нерадиоактивны.

Элементы конца периодической системы Менделеева,а также эле- менты самарий, калий, рубидий радиоактивны (радиоактивность по- следних трёх элементов чрезвычайно низка).

Магнитноеполеразделяетпучокрадиоактивногоизлучениянатри составляющие. Две составляющие отклоняются в противоположные стороны, так как являются потоками противоположно заряженных частиц, а третья — не испытывает отклонений, так как является элек- тромагнитным излучением.

Положительно заряженные частицы названы α-частицами, отри- цательно заряженные частицы — β-частицами, а нейтральный по- ток — γ-излучением.

Указанные излучения сильно отличаются друг от друга по свой- ствам, например по способности проникать сквозь вещество. Поток α-частиц полностью поглощается листом бумаги толщиной около 0,1 мм. Поток β-частиц поглощается полностью при толщине алюми- ниевого экрана в несколько миллиметров. Поток γ-излучения обла- дает наибольшим проникающим действием, например, 1 см свинца (Z = 82) ослабляетэто излучение примерно в 2 раза.По этому свойству γ-излучение сходно с рентгеновскими лучами.

Для визуального изучения свойств заряженных и нейтральных частиц используется камера, изобретённая Ч. Вильсоном (примерно 1911 г.). Это прибор для наблюдения и изучения траекторий быстрых заряженных частиц.

293

Упрощённо камера Вильсона (рисунок слева) состоит из сте- клянного цилиндра 1 с плоским прозрачным торцом, снабжённого подвижным поршнем 2. Полость цилиндра над поршнем заполне- на воздухом, насыщенным паром воды (или спирта). При резком опускании поршня вниз, в резуль- тате быстрого расширения воз-

душно — водная смесь в камере охлаждается, и пар воды становится пересыщенным. Образуются условия для конденсации пара на ядрах конденсации (для визуализации траекторий используется готовность перенасыщенного пара к конденсации). В качестве ядер конденсации могут служить ионизационные продукты воздуха. Ионы поляризуют молекулы воды и притягивают их к себе, такая коагуляция (укрупне- ние) способствует конденсации пара.

Атак как ядрами конденсации могут служить частички пыли,

ане исследуемые частицы, то воздух в камере Вильсона тщательно очищается.

Камера снабжена источником света 3 (слева) и фотоаппаратом 4 (сверху) для фиксации следов путей частиц. Пар в камере находится в состоянии перенасыщения. Быстрая заряженная частица, проле- тая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. На каждом ионе оседают молекулы воды, и траектория частицы становится ви-

димой в виде туманного следа, что даёт возможность наблюдать тра- екторию полета (следа) даже одной единственной α или β-частицы. Освещая туманные следы сбоку сильным источником света 3, можно сфотографировать следы через плоский прозрачный торец камеры 1.

Получаятепло отстенок камеры,воздух вкамере нагревается,иту- манные следы с течением времени испаряются.

Длятого,чтобы иметьвозможностьполучатьновые следы,необхо- димо удалить имеющиеся в воздухе ионы с помощью электрического поля, сжать воздушно-водную смесь поршнем, и выждать, пока воз- дух в камере после нагревания при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Техническое преимущество, как более совершенного физического прибора, камера Вильсона получила, когда её поместили в магнитное поле (авторы П. Капица и Д. Скобельцын, 1927 г.). Омагниченная ка- мера Вильсона — небывалое техническое достижение, которое стали использовать и в других технических устройствах.

Магнитное поле искривляет траектории частиц, что позволяет су- дить о знаке заряда частицы, а измерив радиус траектории, можно

294

определить скорость частицы, если известны её масса и заряд. Следы α-частиц жирнее следов β-частиц и они короче последних, что сви- детельствует о меньшей ионизующей способности β-частиц. Пучки γ-излучения не отклоняются магнитным полем, и они не оставляют на своем пути непрерывной цепочки ионизованных атомов.

Всё же действие γ-излучения на вещество сводится к редкому вы- биванию из атомов электронов, которым сообщается большая ско- рость, и именно эти электроны и производят ионизацию атомов среды. Траектории таких электронов, изогнутые магнитным полем, визуализируются, при этом начало большинства электронов исходит от стенок камеры.

Большинство радиоактивных веществ излучает только один род частиц: либо α-частицы, либо β-частицы, сопровождающееся испу- сканием (причём не всегда) γ-излучения.

Камера Вильсона, как основное средство исследования радиации, уступила затем место пузырьковым (основано на вскипании перегре- той жидкости вдоль траектории частиц) и искровым камерам (части- цы регистрируются в виде последовательности искр в череде зазоров между металлическими пластинками, находящиеся в инертном газе под ускоряющим напряжением).

Другим прибором этого рода является счетчик сцинтилляций. Простейшим является спинтарископ снабжённый лупой для визуаль- ных наблюдений. При бомбардировке некоторых люминесцирующих веществ (сернистый цинк, нафталин и др.) быстрыми заряженными частицами, например α-частицами, заметная доля их энергии при торможении превращается в видимый свет (попадание быстрой за- ряженной частицы на слой такого вещества вызывает кратковремен- ную вспышку света, называемую сцинтилляцией). Для удобства счета сцинтилляций, например, менее заметных β-частиц и γ-излучения, пользуются особо чувствительными фотоэлементами (или фотоэлек- тронными умножителями, изобретенные физиком Л. А. Кубецким).

Распространенным прибором для регистрации отдельных заря- женных частиц является газоразрядный счётчик Гейгера — Мюллера (или газонаполненный коаксиаль- ный конденсатор).

Газоразрядный счётчик (рису- нок справа) содержит металличе- ский цилиндр 2, по оси которого натянута тонкая проволока 1, изо- лированная пробками 3 от цилин- дра 2. Цилиндр 2 заполняется спе- циальной смесью газов (например, аргон с парами спирта) до давле-

295

ния 100 ÷ 200 мм рт.ст.На нить 1 подается положительный потенциал порядка одной тысячи вольт относительно цилиндра 2.

Ионизующая частица, пролетая через счётчик, вызывает в нем кратковременную вспышку газового разряда — кратковременный импульс тока. При значительном сопротивлении R порядка 1000 Мом потенциал нити сохраняется сниженным в течение нескольких мил- лисекунд, и этот импульс обнаруживается по отбросу лепестков чув- ствительного электрометра 4.

На практике импульс тока, вызванный прохождением заряженной частицы через счётчик 1, усиливают транзисторным или электрон- ным усилителем 2 и ре- гистрируют с помощью электронного цифрового индикатора 3 (рисунок

слева).

Сопротивление R здесь порядка 1 Мом.

Механизм действия газоразрядного счетчика следующий. Напряженность неоднородного электрического поля достигает

наибольшей величины вблизи нити и быстро спадает при отдалении от неё. При разности потенциалов около 1000 вольт напряженность электрического поля вблизи нити становится достаточной, чтобы со- общать медленным электронам скорость, необходимую для иониза- ции газовой смеси.

Если в полости счетчика образовался свободный медленный электрон,например,в результате ионизации газа под действием бы- строй частицы, пролетающей через счетчик, то он будет двигаться к положительно заряженной нити в область сильного поля, ионизи- руя вблизи нити атомы газа. Продукты ионизации, в частности элек- троны,будуттакже ускоряться этим полем,и те в свою очередь будут производить ионизацию, давая начало новым и новым электронам и новой ионизации. Число ионизованных атомов лавинообразно растёт и в газе вспыхивает электрический разряд. Образующиеся при разряде электроны устремятся на нить, а тяжелые малоподвиж- ные ионы медленно двинутся к цилиндру. Накопление электронов на нити снизит её положительный заряд и уменьшит напряжённость электрического поля у нити на столько, что через очень короткое время (порядка микросекунды) поле не сможет сообщать электро- нам нужной для ионизации скорости. Ионизация прекратится, и на- чавшийся разряд оборвётся.

Быстрое гашение разряда происходит только при специальном подборе газового наполнения счётчика и при не слишком большом напряжении на нём. При значительном повышении напряжения

296

в счётчике возникает негаснущий электрический разряд, состоящий из непрерывно следующихдругза другом вспышек (вспышки разряда вызываются электронами, которые выбиваются из цилиндра счетчи- ка положительными ионами).

Амплитуда и длительность импульса тока, развивающегося в ре- зультате лавинного процесса в газе, не зависит от природы и энергии регистрируемой заряженной частицы, которая «поджигает» счётчик (вызывает лавинный процесс). Можно выбрать и другой режим рабо- ты газоразрядного прибора — так называемый пропорциональный режим. Режим пропорционального усиления в таком счётчике позво- ляет,помимо самого факта прохождения частицы,измерятьвеличину ионизации, оставленной заряженной частицей.

Если уменьшить напряжение, приложенное к счётчику так, чтобы лавинный процесс не переходил в разряд, то число пар ионов в этой «ограниченной лавине» будет пропорционально начальной иониза- ции. Такие пропорциональные счётчики позволяют не только реги- стрировать отдельные частицы, но и измерять вызываемую ими ио- низацию(илиэнергетическиепотеричастицывгазе),чтонеобходимо для идентификации частиц.

Распространение получили и так называемые полупроводниковые детекторы. По существу это ионизационная камера Пьера и Марии Кюри,в которой воздух заменен полупроводником —например,соот- ветственно обработанными кремнием или германием. Это позволи- ло снизить ток при отсутствии ионизующего излучения до значений приемлемых для регистрации ионизующего излучения. Техническим преимуществом полупроводниковых детекторов является то, что, благодаря большой плотности вещества в этих счётчиках,в них может быть поглощена большая часть энергии ионизующих излучений.

По своим свойствам γ-излучение подобно рентгеновскому излу- чению (ионизует воздух, действует на фотопластинку и не отклоня- ется магнитным полем). Оба вида излучения сильнее поглощаются веществом экрана, чей атомный номер больше. По проникающей способности γ-излучение некоторых радиоактивных веществ значи- тельно превосходит рентгеновское излучение, используемое в меди- цине и технике. На одинаковую природу этих излучений указывает совпадение всех свойств γ-излучения и жесткого рентгеновского из- лучения.

Для установления природы α- и β-частиц достаточно измерить за- ряд и массу отдельной частицы.В принципе способ измерения заряда прост.Нужно независимо измеритьзаряд Q,переносимый пучком ча- стиц за определённое время, и сосчитать число частиц N, пролетаю- щих зато же время.Заряд одной частицы определится из q = Q/N. Схе- ма измерения осуществляется в два этапа.

297

В начале, радиоактивный препарат 1 (рисунок сле- ва), испускающий с постоянной интенсивностью α- или β- частицы устанавливается перед диафрагмой 2, отверстие которой вырезает узкий пучок этих частиц. Всечастицы,прошедшиечерезотверстие,улавливается полым металлическим цилиндром 3,присоединенным к чувствительному электрометру 4.По отклонению ле- пестков электрометра 4 определяют заряд, внесенный пучком вовнутрь цилиндра 3.

Затем (рисунок справа), не меняя положения препарата и диафрагмы, вместо электро- метра 4 и цилиндра 3 устанавливают счётчик частиц 5 (например, счётчик сцинтилляций или газоразряд- ный счётчик) и сосчитывают число частиц, проходя- щих через диафрагму за тот же промежуток времени.

С помощью таких измерений установлено, что α-частицы несут положительный заряд, равный двум элементарным зарядам, а заряд β-частиц равен одному элементарному отрицательному заряду.

Измерение массы α- и β-частиц содержиттакже два этапа.

По отклонению заряженной частицы в магнитном поле опреде- ляется соотношение между массой и скоростью частицы. Другое та- кое соотношение может быть получено, если произвести измерения по отклонению частицы в электрическом поле. Располагая двумя со- отношениями, связывающими массу и скорость частицы, нетрудно определить каждую из этих величин в отдельности.

Для одновременного измерения скорости и массы заряженных частиц используется следующая комбинированная схема измерения (рисунок ниже).

Пучок частиц из радиоактивного препарата 1 через щель экрана 2 влетает в узкий зазор между пластинками конденсатора 3. Конден-

298

сатор 3 изогнутподуге окружности радиуса ρ,между пластинками ко- торого действует электрическое поле E.Через зазор пройдуттолькоте частицы,массаискоростькоторыхукладываетсявтраекториюокруж- ности радиуса ρ. Центростремительное ускорение равное v 2/ρдля та- ких частиц создает электрическая сила q . E, которая равна m . v 2/ρ.

Из конденсатора 3 частицы через щель диафрагмы 4 попадают в однородное магнитное поле B, силовые линии которого перпенди- кулярны к плоскости чертежа. Описав в магнитном поле полуокруж- ность, частицы попадают на фотопластинку 5 в точку D. Измерив рас- стояниеAD (до места попадания частиц),находятрадиус rтраектории частицы в магнитном поле, который связан со скоростью и массой частицы соотношением r = mv/(q . B).

Решая эту систему уравнений относительно v и m, находят v = ρE/(r . B); m = q r 2 B 2/(ρ . E).

Масса β-частицы совпадает как с массой электрона (движущегося с той же скоростью),так и с его зарядом. Это быстрые электроны, вы- летающие из атомов радиоактивного вещества со скоростью близкой к скорости света (до 0, 99 . c).

Масса α-частиц оказалась равной 4 а. е. м. с зарядом +2e, что со- ответствует массе и заряду ядра атома гелия, то есть α-частицы это быстродвижущимися ядрами гелия. Скорости α-частиц значитель- но меньше скоростей β-частиц и находятся в пределах 10 ÷ 20 тысяч км/сек.

Замедлившиеся α-частицы присоединяют к себе электроны и об- разуют атомы гелия (опыт Резерфорда).

Энергия радиоактивного излучения, в конечном счёте, превраща- ется в тепло, что обнаруживается калориметрическими методами.

Радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов.

В отношении α-частиц это очевидно, они сами по себе ядра гелия. Поток β-частиц сам по себе это быстрые электроны и при испуска- нии их ядрами атомов приводит к изменению химической природы самих атомов. Электрон β-частицы уносит из ядра элементарный от- рицательный заряд,и,тем самым,увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро может удерживать вокруг себя уже не Z, а Z + 1 электронов, и радиоактивный атом может превратиться в атом сле- дующего по порядку элемента периодической системы. В веществах, испускающих β-частицы (и нейтрино), накапливаются атомы эле- мента с порядковым номером, на одну единицу превышающим по- рядковый номер излучающего элемента. Так как масса β-частиц ни- чтожно мала по сравнению с атомной единицей массы,то испускание β-частиц не изменяет массовое число ядра, но в результате испуска- ния β-частиц радиоактивный элемент превращается в элемент с по-

299